Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Betrachtung von Schaltnetzteilen bezüglich EMV

Redakteur: Andreas Leu

Einige Richtlinien für das Erreichen bester elektromagnetischer Performance bei AC-DC- und DC-DC-Wandlern einschliesslich der Verwendung externer Filter.

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Abb. 1:Spektrum der Emissionen einer getakteten Spannung.
Abb. 1:Spektrum der Emissionen einer getakteten Spannung.
(Bild: Recom Power)

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von Geräten ist ein Begriff, der leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen, Störanfälligkeit gegenüber leitungsgebundenen Störungen und abgestrahlten Feldern sowie die Immunität gegenüber transienten Störern wie der elektrostatischen Entladungen (ESD) umfasst. Die Verzerrung des Versorgungsnetzes durch AC-DC-Wandler gehört ebenfalls dazu. In Europa verfügt die EMV-Richtlinie 2014/30/EU, dass Endgeräte die harmonisierten Standards erfüllen müssen. In diesem Artikel betrachten wir leitungsgebundene Störungen von getakteten AC-DC- und DC-DC-Wandlern und die Performance, welche durch Filterelemente beeinflusst werden kann.

Hoher Wirkungsgrad kann zu hohen Störpegeln führen

Ingenieure kennen die Vorteile von Schaltwandlern – hoher Wirkungsgrad bei geringer Abmessung und geringem Gewicht. Jedoch werden sich auch viele von ihnen bereits mit den dadurch erzeugten elektromagnetischen Störungen abgemüht haben. Moderne Wandler-Designs werden mit besseren Komponenten sowie durch weiterentwickelte Topologien optimiert, wie etwa resonante Ausführungen, die von Natur aus störungsärmer sind. Techniken wie ­Frequenz-Dithering helfen zudem bei der Verringerung der Störungsenergie in einer gegebenen Messbandbreite. Ursprung der Störungen ist das schnelle Schalten der Halbleiter, wobei die für einen hohen Wirkungsgrad erforderlichen Anstiegs- und Abfallzeiten der geschalteten Spannung im Bereich von Nanosekunden liegen sollten. Die hohen Werte von du/dt und di/dt können allerdings nicht komplett im Wandler gehalten werden und zeigen sich als Spannungs- oder Stromspitzen, welche sich entlang von Eingangs- oder Ausgangsleitungen als hochfrequente Störungen ausbreiten. Aus der Fourier-Analyse ist ein Spektrum der Störungen von einer generischen geschalteten Spannung in Abb. 1 gezeigt. Sie veranschaulicht, dass mit abnehmenden Anstiegs-/Abfallzeiten Tr, Tf die Bandbreite der Störungen zunimmt, wobei die Gesamtamplitude vom Tastverhältnis der Wellenform Ton/Tp beeinflusst ist.

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DM-Störungen lassen sich leicht mit einem Oszilloskop oder Analysator messen, aber CM-Störungen erfordern die Verwendung eines standardisierten Netzabschlusses, einer Netznachbildung (LISN). Diese hat eine definierte Abschlussimpedanz und das nötige Filtering, um alle Effekte aus der vorgelagerten Stromquelle abzublocken. Die typische 50-Ω-Netznachbildung, wie sie beispielsweise in der CISPR 32 für Multimedia-Equipment verwendet wird, ist in der CISPR-16-1-2 definiert. Die Netznachbildung LISN ergibt eine gewichtete Kombination der DM- und CM-Störungen, sodass sogar ohne CM-Störungen die Hälfte der Amplitude der DM-Störungen zu sehen ist. Daher ist eine Dämpfung von sowohl DM- als auch CM-Störungen notwendig, um beispielsweise die Grenzwerte des Standards CISPR 32 und seiner Ableitung EN 55032 einzuhalten.

Eingangsfilter für DC-DC-Wandler

Im Standard EN IEC 61204-3:2018 «Niederspannungs-Schaltnetzteile – Teil 3: elek­tromagnetische Verträglichkeit» werden auch die Störgrössen von DC-DC-Wandlern definiert, obgleich sie normalerweise in Systemen integriert sind, die insgesamt die EMV-Vorschriften einhalten müssen. Hersteller von DC-DC-Wandlern für Platinenbestückung integrieren zumindest einen parallelen Eingangskondensator, sodass die verbleibenden Störungen häufig vollkommen akzeptabel sind. Gelegentlich werden geringere Störgrössen in der Anwendung benötigt. Dann empfiehlt der Hersteller normalerweise einen zusätzlichen externen LC-Filter zur Verringerung von DM-Störungen, L und C1 in Abb. 3.

Es mag verlockend sein, Filterelemente mit hohen Werten hinzuzufügen, in der Annahme, dies führe zu den geringsten Störemissionen. Jedoch kann das in manchen Fällen kontraproduktiv sein. Magnetische Sättigung mit hoher Induktivität kann ein Problem darstellen, und eine zu geringe Selbstresonanz kann zu Ringing und möglichen Überspannungen am DC-DC-Eingang führen. Dieser Effekt kann das gemessene Frequenzspektrum sogar verschlechtern. Abb. 4 zeigt die Störungen eines Beispiel-­Wandlers ohne Filter und mit L, C1, C2 eingebaut, was zu höheren Spitzen im Spektrum führt.

Ein weiteres mögliches Problem ist in manchen Fällen die Instabilität des Regelkreises eines Wandlers. Das passiert, wenn die Ausgangsimpedanz des Filters bei seiner Resonanzfrequenz nahe der Eingangsimpedanz des DC-DC-Wandlers ist. Middlebrook untersuchte den Effekt und schlussfolgerte, dass die Ausgangsimpedanz des Eingangsfilters kleiner als die Eingangs­impedanz des Wandlers sein muss. Das lässt sich durch einen zusätzlichen Dämpfungskreis R und C5 gemäss Abb. 3 erreichen. C5 ist >>5 x C2, der intern im DC-DC-Wandler sein kann, und R ist = SQRT(L/C2). Alternativ hat ein verlustbehafteter Elektrolytkondensator einen ähnlichen Effekt, jedoch unterliegen seine tatsächliche Kapazität und der ESR dementsprechenden Toleranzen.

CM-Störungen sind häufig kein Problem bei DC-DC-Wandlern, weil sowohl Eingang als auch Ausgang geerdet sein können. Falls der Eingang erdfrei ist, können die Kondensatoren C3 und C4 (Abb. 3) ergänzt werden, um CM-Störungen zu verringern. Für die zulässige Kapazität kann es jedoch eine Grenze geben, falls der Wandler einen Teil einer Sicherheitsbarriere gegen hohe Wechselspannung bildet. Die Werte von C3 und C4 bestimmen dann den maximalen AC-Ableitstrom und müssen «Y» Sicherheitstypen mit der richtigen Einstufung für die transiente Überspannung sein. In manchen Anwendungen können zwei Kondensatoren in Reihe nötig sein, etwa bei am Patienten angeschlossener Medizintechnik, für den Fall, dass einer der Kondensatoren einen Kurzschluss hat.

Eingangsfilter für AC-DC-Wandler

Tatsächlich ist dies bei AC-DC-Wandlern etwas anders. Produkte mit hoher Leistung haben normalerweise einen direkten Anschluss an die Netzspannung. Daher muss der Wandler die EMV-Richtlinie aufgrund unterschiedlicher Aspekte einhalten und hat üblicherweise intern einen Filter implementiert, der für den beabsichtigten Einsatz geeignet ist; Industrie, IT, Medizintechnik, Prüfeinrichtungen usw. Es gibt jedoch einen grossen Markt für AC-DC-Wandler für Platinenbestückung, die intern über Leitungen an die Netzspannung angeschlossen sind. Häufig hat der Wandler einen internen Filter, um die gängigsten EMV-Standards (IEC 55032 Class B) einzuhalten, wie etwa die Recom-Baureihe RAC20-K. Zudem werden auch manchmal Produkte angeboten, welchen die weniger strengen Grenzwerte der Class A nach IEC 55032 einhalten. Das spart Kosten und kann in vielen Fällen ausreichend sein, vor allem, wenn der Wandler von einer Netzspannung versorgt wird, die zuvor im Gesamtsystem bereits gefiltert wurde. Die meisten Hersteller werden externe Filterelemente vorschlagen, womit diese Geräte auch die Grenzwerte nach IEC 55032 Class B einhalten können. In vielen Fällen wird dieser Vorschlag einen «X» eingestuften Kondensator über der Netzspannung und «Y» Kondensatoren von beiden Netzleitungen zur Masse beinhalten. Die Recom-Serie RAC03-GA ist ein solches Beispiel. Damit der Filter wirksam sein kann, sollten die Komponenten sehr nahe am Wandler platziert werden. Je nach Anwendung sind noch weitere Sicherheitsaspekte der jeweiligen Produktnorm bei der Verwendung derartiger Filterstrukturen zu berücksichtigen.

Das EMV-Verhalten des Gesamtsystems lässt sich nicht einfach aus dem der einzelnen Komponenten vorhersagen, sodass auch EMV-konforme AC-DC-Wandler für Platinenbestückung kombiniert mit anderen EMV-konformen Komponenten beispielsweise nicht garantieren können, dass ein Gesamtsystem konform ist. Hersteller wie Recom bieten jedoch zusammen mit ihrer breiten Palette an Stromversorgungsprodukten auch die Nutzung ihrer hauseigenen EMV-Prüfeinrichtungen an, um ihre Kunden bei vorbereitenden Konformitätsprüfungen zu unterstützen.

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